一種基于寬電壓范圍的雙向多端口變換器的pcu控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及航天器電源控制器的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]多端口變換器，特別是三端口變換器，在航天領(lǐng)域、汽車電子領(lǐng)域、光伏系統(tǒng)領(lǐng)域等眾多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。通常，多個(gè)端口只能向其中一個(gè)端口單方向傳輸能力，而除該端口以外的其他端口之間不能傳遞能量。
[0003]專利文獻(xiàn)1 (中國(guó)專利公開(kāi)號(hào):CN104868551 A)提出了一種基于FPGA的小衛(wèi)星MPPT控制系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)電源電路與太陽(yáng)能電池陣相連，為鋰電池充電；電流取樣電路、電壓取樣電路分別采集太陽(yáng)能電池陣的輸出電流、電壓信號(hào)，調(diào)理濾波后經(jīng)由A/D采樣電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并送進(jìn)FPGA中，由FPGA實(shí)現(xiàn)功率跟蹤控制，并輸出PWM波信號(hào)，通過(guò)功率管驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)電源電路正常工作。但是，該方案應(yīng)用于太陽(yáng)陣輸入和電池輸出，是兩端口變換器，且只適用于小功率(小衛(wèi)星)。
[0004]發(fā)明人在先的專利申請(qǐng)(中國(guó)專利公開(kāi)號(hào)CN104993699 A)提出了一種新型非隔離寬電壓范圍雙向三端口變換器和雙向多端口變換器，如附圖1和附圖2所示，該變換器具有可擴(kuò)展、寬電壓調(diào)節(jié)范圍、高效率、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，如何進(jìn)行基于雙向三端口變換器的P⑶的控制，是亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種寬電壓范圍的雙向多端口變換器的控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明具體通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種基于寬電壓范圍的雙向多端口變換器的PCU控制系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括主功率部分、FPGA部分、數(shù)模轉(zhuǎn)換部分、表決電路和被控量采樣電路；其中，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換部分包括A/D轉(zhuǎn)換電路和D/A轉(zhuǎn)換電路；所述主功率部分由N個(gè)主功率變換模塊組成，每一個(gè)主動(dòng)率模塊采用雙向三端口變換器，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能陣SA、母線BUS和電池BAT間能量的調(diào)節(jié)和調(diào)度，所述N個(gè)主功率模塊間通過(guò)并聯(lián)進(jìn)行功率擴(kuò)展；所述FPGA部分包括N個(gè)FPGA模塊，與所述N個(gè)主動(dòng)率模塊對(duì)應(yīng)；所述被控量采樣電路采樣所述功率部分的被控量，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路提供給所述FPGA部分，所述FPGA給出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后分別控制所述N個(gè)主功率模塊；所述FPGA部分作為所述系統(tǒng)的控制核心，通過(guò)控制算法和控制邏輯使所述主功率模塊的變換器實(shí)現(xiàn)以下功能:
輸出功率大于輸入功率時(shí)，輸入SA端進(jìn)行MPPT，提高能量利用率，對(duì)于同等輸出功率的電源控制，帶有MPPT功能的電源控制器所需配備的SA的體積和重量減少，降低了發(fā)射成本；
母線按照設(shè)定電壓恒壓輸出，通過(guò)均流算法實(shí)現(xiàn)N個(gè)功率模塊間母線電流的均流，且通過(guò)算法使FPGA輸出的各模塊間驅(qū)動(dòng)有相同相位差，降低母線電壓紋波； 電池側(cè)實(shí)現(xiàn)恒流充電和涓流充電，通過(guò)算法使FPGA輸出的各模塊間驅(qū)動(dòng)有相同相位差，降低電池電流紋波，延長(zhǎng)電池壽命。
[0007]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述雙向三端口變換器，包括開(kāi)關(guān)管元件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6，電感Q、L2;其中，Q:的集電極作為變換器的第一端口，Q:的發(fā)射極連接Q 2的集電極，Q2的發(fā)射極接地；Q3的集電極作為變換器的第二端口，Q3的發(fā)射極連接Q4的集電極，04的發(fā)射極接地；05的集電極作為向變換器的第三端口，Q5的發(fā)射極連接Q6的集電極，Q6的發(fā)射極接地；電感的1^一端連接Q i的發(fā)射極，L i的另一端連接Q 3的發(fā)射極，電感的L 2—端連接Q3的發(fā)射極，L 2的另一端連接Q 5的發(fā)射極。
[0008]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，通過(guò)FPGA的移相功能模塊給出帶有移相角為360/暾的N組驅(qū)動(dòng)信號(hào)。
[0009]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，在SA光照條件幾乎一致的情況下，僅對(duì)一個(gè)功率模塊的被控量采樣，其余模塊只需采樣母線電流以實(shí)現(xiàn)均流；通過(guò)FPGA的移相功能模塊給出帶有移相角為度的Ν組驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別控制Ν個(gè)主功率模塊。
[0010]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述Ν個(gè)主功率模塊中設(shè)置一個(gè)為主功率模塊，其他Ν-l個(gè)位從功率模塊，所述FPGA給出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路后連接表決電路，表決電路的輸出分別控制所述Ν個(gè)主功率模塊；對(duì)一個(gè)主功率模塊進(jìn)行采樣，所述采樣信號(hào)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的FPGA，從功率模塊只采樣電流值，所述Ν個(gè)FPGA互為備份。
[0011]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述Ν為3，所述表決電路為三取二表決電路。
[0012]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述表決電路的輸出為一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，該控制信號(hào)通過(guò)均流算法或移相算法，分別得到Ν個(gè)功率模塊的控制信號(hào)，并通過(guò)D/A輸出到Ν個(gè)功率模塊；所述Ν個(gè)模塊的開(kāi)關(guān)相位存在相等的移相角。
[0013]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述均流算法根據(jù)各模塊母線電流與母線電流平均值，計(jì)算得到誤差值，對(duì)該誤差值進(jìn)行數(shù)字ΡΙ或單獨(dú)比例環(huán)節(jié)得到修正值e ,，該修正值作用于輸出占空比。
[0014]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述被控量采樣包括:SA電流采樣ISA、SA電壓采樣
&、母線電流采樣 Ibus、 母線電壓采樣 Ubus、 電池電流采樣電池電壓采樣υβΑΤΟ
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本發(fā)明的控制系統(tǒng)的三雙向端口變換器拓?fù)涫疽鈭D；
圖2是多雙向端口變換器拓?fù)涫疽鈭D；
圖3是基于FPGA的航天電源控制器控制架構(gòu)示意圖；
圖4是二取二表決電路不意圖；
圖5是本發(fā)明的FPGA內(nèi)部控制策略示意圖；
圖6 (a)是均流算法流程圖；
圖6 (b)是均流算法的輸入輸出示意圖；
圖7是本發(fā)明的基于三端口變換器的PCU控制系統(tǒng)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】及【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017]如附圖3所示，基于FPGA的航天電源控制器控制架構(gòu)主要由主功率部分、FPGA部分和數(shù)、模轉(zhuǎn)換部分組成。其中，主功率部分有N個(gè)主功率變換模塊；采用如圖1所示的寬電壓范圍雙向三端口變換器，實(shí)現(xiàn)SA (太陽(yáng)能陣)、BUS (母線)和BAT (電池)間能量的調(diào)節(jié)和調(diào)度，N個(gè)主功率模塊間通過(guò)并聯(lián)進(jìn)行功率擴(kuò)展。FPGA部分包括N個(gè)FPGA模塊，與N個(gè)主動(dòng)率模塊對(duì)應(yīng)，F(xiàn)PGA作為該電源控制器的控制核心，通過(guò)控制算法和控制邏輯使變換器實(shí)現(xiàn)以下功能:
u輸出功率大于輸入功率時(shí)，輸入SA端進(jìn)行MPPT (最大功率點(diǎn)跟蹤)，提高能量利用率，對(duì)于同等輸出功率的電源控制，帶有MPPT功能的電源控制器所需配備的SA的體積和重量減少，降低了發(fā)射成本；
u母線按照設(shè)定電壓恒壓輸出，通過(guò)均流算法實(shí)現(xiàn)N個(gè)功率模塊間母線電流的均流，且通過(guò)算法使FPGA輸出的各模塊間驅(qū)動(dòng)有相同相位差，降低母線電壓紋波。
[0018]U電池側(cè)可實(shí)現(xiàn)恒流充電和涓流充電(恒壓充電)，通過(guò)算法使FPGA輸出的各模塊間驅(qū)動(dòng)有相同相位差，降低電池電流紋波，延長(zhǎng)電池壽命。
[0019]作為優(yōu)化設(shè)計(jì)，在SA光照條件幾乎一致的情況下，可僅對(duì)一個(gè)功率模塊的被控量采樣，通過(guò)FPGA給出帶有移相角為度的N組驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別控制N個(gè)主功率模塊，其余模塊只需采樣的母線電